П.Л. Капица, лауреат Нобелевской премии по физике: “Самое страшное в науке – тривиальность. Самое важное в работе – это вовсе не правильность, а то, что в ней заключена новая идея. Нельзя никогда упускать публикацию новых идей” (Успехи физических наук, 1994. Т. 194. с. 1326).
Человечество изучает планеты Солнечной системы и космическое пространство. Проводятся дорогостоящие эксперименты, в космос запускаются тонны металла и приборы, тратятся миллиарды долларов. Ради чего? Чтобы понять окружающий мир, научиться использовать его во благо человека. Многое из того, о чем мечтали Галилей, Коперник, Максвелл, Циолковский, Чижевский, Королев сегодня сбывается. Но загадок и нерешенных проблем еще очень много. Одной из них являются кольца Сатурна.
#img_left#Миссия Cassini (Кассини) – это самый амбициозный беспилотный научный космический проект НАСА. Его общая стоимость – примерно четыре с половиной миллиарда долларов. Запущенный в сторону Сатурна в 1997 году, с 2004 года зонд исследует систему Сатурна до 2008 года.
Одна из главных задач миссии – понять, как образовались кольца Сатурна. Эта загадка уже четыреста лет остается нерешенной и волнует не только ученых-астрономов, – все любуются этим красивейшим явлением Солнечной системы. Как образовались кольца, как Сатурн стал их властелином, – хотят знать все жители планеты Земля.
Существующая теория образования колец из обломков астероида приблизившегося к планете, считавшаяся общепризнанной до полета Кассини, трещит по швам благодаря многим, вновь обнаруженным сегодня явлениям в кольцах. Это и понятно, поскольку старая теория, за неимением удобоваримого, физически понятного объяснения, содержит некое мистическое начало, как это обычно делается в фантастических романах. Кассини уже обнаружил миллионы крупных ледовых образований в кольцах (их назвали лунами) и новые кольца, – но как все это объяснить? Оказывается можно, если принять новую теорию образования колец, предложенную российскими физиками, исследовавшими проблему происхождения колец в течение 20 лет под руководством доктора физико-математических наук Черного Владимира Викторовича.
#img_right#Мы все помним эксперимент из школьной физики, когда железные опилки, насыпанные вокруг магнита, находясь в его неоднородном магнитном поле, собирались в отдельные полоски, в которых опилки либо группировались вместе, либо образовывали щели, где их не было. Оказывается, между этим простым экспериментом и происхождением колец у Сатурна есть прямая связь. Как выяснилось, ледяные частицы, первоначально окружавшие Сатурн, как облако, и вращающиеся вокруг него по законам Кеплера, после включения магнитного поля планеты стали приближаться к магнитному экватору Сатурна, а затем распределились в экваториальной плоскости планеты в виде сомбреро, состоящего из полосок, как в известном школьном эксперименте.
Кольца Сатурна, несомненно, являются одним из прекраснейших творений природы. С момента их обнаружения в 1610 году итальянцем Г. Галилеем, они притягивают внимание ученых и весьма популярны. Логотипы колец широко используются в бизнесе и рекламе. О них написаны тысячи статей, на их исследования израсходованы десятки миллиардов долларов. Однако проблема происхождения колец Сатурна до сих пор не решена. Об этом говорится, например, в статьях Science, 2005, том 307, № 5713, С. 1222-1356, где анализируются данные сегодняшней миссии НАСА к Сатурну – Кассини-Гюйгенс (2004-2008 гг.) .
1859 году английский физик, основатель электромагнетизма Дж. К. Максвелл доказал, что кольца состоят из бесконечного числа разделенных частиц, иначе они были бы разрушены. Правда, он считал, что кольца должны были бы с течением времени упасть на планету, но они удивительно существуют до сих пор.
Считается, что кольца образовались из обломков астероида, приблизившегося к Сатурну и разрушенного гравитационными и центробежными силами. Очевидно, что эта теория содержит некий мистический аргумент, хотя, используя богатый аппарат математики, удалось описать и такой подход. Согласно другому мнению, кольца могли образоваться из частиц протопланетного облака, изначально окружавшего планету.
Кстати, облако при этом также могло наполняться и остатками от разрушения приближавшихся к Сатурну космических тел. Внимательно изучались гравитационные, магнитогидродинамические и плазменные эффекты у Сатурна, но объяснение долгого стабильного существования колец и фундаментальных свойств их частиц не было получено. Все теории носили разрозненный характер. Как из протопланетного облака на экваторе планеты могло сформироваться дисковое сомбреро Сатурна, состоящее из колец и щелей, до сих пор оставалось не ясным.
В то же время, известно, что электромагнитные взаимодействия являются весьма важными в Солнечной системе и, в частности, для Сатурна. На это указывали в своих работах К. Циолковский, Л. Чижевский, Х. Альвен и другие ученые. Поскольку частицы колец не слипаются, Черный В.В. и Поспелов А.Ю. в 1994 г., выступая на международной конференции, выдвинули гипотезу возможной сверхпроводимости ледяных частиц колец. Это, в принципе, возможно, поскольку они слабо нагреваются Солнцем и их температура порядка 70-100К уже долгое время.
Подобное предположение основано и на том факте, что в лабораториях уже получен широкий спектр замороженных многокомпонентных веществ, обладающих высокотемпературной сверхпроводимостью, открытой в 1986 г. В том же 1986 г. уральские физики экспериментально показали в лаборатории, что при более низких температурах и высоких давлениях лед может обладать сверхпроводимостью. Разумеется, лед это сложное образование. На Земле существует огромное число его модификаций. Знания же о свойствах космического льда весьма ограничены.
Физически, сверхпроводимость частиц кольца означает, что частицы выталкивают внутреннее магнитное поле, возникающая при этом сила создает давление, направленное на частицу. Для расположенных рядом частиц это приводит к тому, что вытолкнутое из частиц магнитное поле создает давление – силы, которые расталкивают эти частицы, и они не слипаются. Эффект выталкивания магнитного поля из сверхпроводника был открыт Мейсснером и Оксенфельдом в 1933 году.
Особенность предложенной теории происхождения колец Сатурна за счет наличия у частиц колец сверхпроводящих свойств состоит в том, что она не отвергает полученные ранее знания, а дополняет их вновь открытыми физическими эффектами, объединяет их, позволяет получить физически реальную картину и ответить на вопрос – как кольца образовались. При этом гравитационные, гидродинамические и плазменные взаимодействия не подвергаются декомпозиции, а лишь дополняются свойствами поведения сверхпроводящих частиц в неоднородном магнитном поле Сатурна.
Сценарий происхождения дисковой системы колец Сатурна выглядит так. До появления у планеты магнитного поля частицы движутся в протопланетном облаке вокруг планеты на разных орбитах согласно законам Кеплера. При этом сила гравитации уравновешена центробежной силой. С появлением у планеты магнитного поля начинает «работать» сверхпроводимость частиц, они взаимодействуют с магнитным полем.
Как показывает электродинамический анализ, сверхпроводящие частицы протопланетного облака проявляют идеальный диамагнетизм и, приобретая дополнительное азимутально-орбитальное движение, дрейфуют в плоскость магнитного экватора, образуя дисковое сомбреро. Происходит это потому, что в плоскости магнитного экватора, который у Сатурна практически совпадает с географическим экватором, у частиц наименьшая магнитная энергия. Основную роль здесь играет огромный магнитный момент Сатурна, который в 500 раз больше земного. Отсюда следует, что через какое-то может даже очень длительное время, после включения магнитного поля планеты, сверхпроводящим частицам протопланетного облака энергетически выгодно собраться в плоскости магнитного экватора.
Формирование кольцевой структуры диска, напоминающей грампластинку, происходит подобно тому, как металлические частицы образуют в неоднородном поле магнита области сгущений и разрежений. Магнитное поле Сатурна в плоскости кольцевого диска неоднородно, т.к. каждая сверхпроводящая частица вытесняет магнитное поле из своего объема согласно эффекту Мейсснера-Оксенфельда. Силовые линии магнитного поля стремятся замкнуться через области с наибольшим магнитным потоком.
Уплотнения магнитного потока расчищают щели в кольцевом диске, расталкивают сверхпроводящие частицы и формируют отдельные структуры, которые выглядят как кольца. Плотность магнитного потока в кольце будет ниже, чем в окружающем его пространстве щелей, что способствует формированию устойчивой структуры кольцевых образований. Разность плотностей магнитного потока на границах колец вызывает направленное внутрь кольца магнитное давление и поэтому края колец выглядят резкими.
На формирование специфической картины системы колец и щелей оказывают влияние гравитационные эффекты, которые называют орбитальными резонансами, вызванные присутствием спутников Сатурна, а также из-за больших обломков и лун в кольцах, которые образовались в результате столкновений и слипания еще до появления у планеты магнитного поля.
Предложенная авторами электромагнитная модель возможной роли сверхпроводимости частиц колец в формировании системы колец, на удивление, может объяснить многие экспериментальные данные наземных экспериментов и космических зондов NASA (Пионер, Вояджер-1, -2 и Кассини-Гюйгенс).
При этом, становится ясно, почему частицы колец не слипаются; почему кольца существуют только у планет после пояса астероидов, где температура способствует появлению у вещества сверхпроводящих свойств; почему отражение микроволн круговой поляризации от колец происходит как от сверхпроводника, являющегося магнитным зеркалом; почему существует широкополосное дискретное неполяризованное радиоизлучение в диапазоне 20,4 кГц – 40,2 МГц, которое можно объяснить нестационарным эффектом Джозефсона для сверхпроводников; почему наблюдается аномальное поведение зависимости теплового излучения колец в диапазоне от 10 мкм до 1 см, что также характерно для сверхпроводников; почему существует около колец атмосфера “неизвестного” происхождения, что можно объяснить диамагнитным выталкиванием газовых молекул за счет молекулярных магнитных моментов, наведенных в сверхпроводящих частицах; почему существуют волны плотности и изгибные волны в кольцах, что можно объяснить как возбуждение параметрических колебаний пондеромоторными силами, возникающими при касательном направлении внешнего магнитного поля к свободной поверхности коллектива сверхпроводящих частиц кольца и поперечно к линиям постоянной фазы.
Ясно также, что у планет, находящихся между Солнцем и поясом астероидов колец быть не может, т.к. это пространство хорошо прогревается Солнцем, а температура разрушает сверхпроводимость. Кольца могут быть только у планет с магнитным полем, находящихся за поясом астероидов, а их внешний вид зависит от особенностей вещества протопланетного облака, а также от физических и особенно электромагнитных параметров планеты.
Следствием предложенной теории происхождения и образования колец у Сатурна является тот факт, что складывается некая единая картина электромагнитных взаимодействий в Солнечной системе, позволяющая подтвердить мнение Х. Альвена, что в самом процессе происхождения и образования колец у Сатурна может быть заложена история происхождения Солнечной системы на раннем (холодном) этапе ее развития. Очевидно также, что возникло новое направление исследований сверхпроводимости материи за поясом астероидов и в космосе.
Является ли данная теория лишь моделью, или реальностью (и будет ли Нобель?), это покажут дальнейшие исследования. Важно, что сама идея сверхпроводимости частиц колец выглядит по-новому, интересно. Хорошо и то, что новая теория происхождения колец Сатурна не вынуждает отказываться от проведенных исследований других авторов, а дополняет, и даже объединяет их, вскрывая возможную природу происхождения планетных колец.
Основные научные публикации по кольцам Сатурна:
1. Tchernyi V.V., Pospelov A.Yu. Possible electromagnetic nature of the Saturn’s rings: superconductivity and magnetic levitation // Progress in electromagnetic research (PIER). Cambridge, MA: Massachusetts Institute of Technology. 2005. V. 52. P. 277-299. (pier & jemwa).
2. Черный В.В., Поспелов А.Ю. О возможной электромагнитной природе планетарных колец: магнитная левитация сверхпроводящих колец Сатурна // Физика волновых процессов и радиотехнических систем. 2005. Т. 8. № 2. С. 4-16.
3. Tchernyi V.V., Chensky E.V. Electromagnetic background for possible magnetic levitation of the superconducting rings of Saturn // Journal of Electromagnetic Waves and Applications. Cambridge, MA: Massachusetts Institute of Technology. 2005. V. 19. № 7. P. 987-995. (pier & jemwa).
4. Tchernyi V.V., Chensky E.V. Movements of the protoplanetary superconding particles in the magnetic field of Saturn lead to the origin of rings // IEEE Geoscience and remote sensing letters. 2005. V. 2. № 4. P. 445-446. Correction: 2006. V. 3. No. 2.
5. Tchernyi V.V., Kapranov S.V. Possible role of superconductivity for simplest life propagation within interstellar space by electromagnetic force of magnetic levitation // Journal of Electromagnetic Waves and Applications. Cambridge, MA: Massachusetts Institute of Technology. 2005. V. 19. No. 15. P. 1997-2006. (pier & jemwa).
6. Черный В.В. О возможной роли электромагнетизма и сверхпроводимости в происхождении колец Сатурна // Прикладная физика. 2006. № 5. С. 10-16.
7. Tchernyi V.V., Pospelov A.Yu. About hypothesis of the superconducting origin of the Saturn’s rings // Astrophysics and Space Science. Springer. 2007. V. 307. № 4. P. 347-356.
8. www.google.com/ superconductivity of Saturn’s rings
9. Более десяти международных конференций и приглашенные доклады в НАСА-Marshall Space Flight Center (ракетный центр Брауна) в Huntsville-Alabama, Главном астрономическом институте планеты в Гонолулу, Астрофизическом центре Калифорнийского университета в Сан Диего, в Калифорнийском университете в Беркли и Дэвисе, Астрономическом институте Ла Плата университета в Буэнос Айресе, в Национальном бюро стандартов США в Вашингтоне
9. www.google.com/ Vladimir V. Tchernyi
P.S.: Наука давно стала производительной силой и, следовательно, обросла всеми человеческими пороками. В мире идет смертельная битва за научные приоритеты, на это тратятся огромные средства. Научные открытия – это имидж страны, ее имперская сила. История открытий достаточно сложная, но она говорит, что важной составляющей является РR открытий, т.е. то, как пресса доносит их до читателей.
Автор: Владимир В. Черный (Tchernyi V.V.), доктор физико-математических наук (тел: 8(926) 592-6066, [email protected])
